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1、模拟电子技术基础 Fundamentals of Analog Electronic,第五章 场效应管及其放大电路,第五章 场效应管及其放大电路,5.1 场效应管,5.2 场效应管基本放大电路,5.1 场效应管,一、结型场效应管,二、绝缘栅型场效应管,三、场效应管的分类,BJT是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与导电，所以被称为双极型器件。,FET只有一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,场效应管有三
2、个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c； 场效应管有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。,单极型管噪声小、抗辐射能力强、低电压工作,在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子电子可以导电。,导电沟道是 N 型的，称N 沟道结型场效应管。,一、结型场效应管（以N沟道为例）,1. 结构,符号,P 沟道场效应管,P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区(N+)，导电沟道为 P 型，多数载流子为空穴。,2. 工作原理 （1）栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用 uDS=0,沟道最宽,uGS可以控制
3、导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？,UGS（off）,(a)uGS = 0,(b)UGS(off) uGS 0,(c)uGS UGS(off),（2）漏-源电压对漏极电流的影响 uGS为UGS（off） 0V中一固定值,uGSUGS（off）且不变，iD随uDS增大线性增大，D-S间呈现电阻特性。,uGDUGS（off）,若uDS=0V，有导电沟道，但是多子不产生定向移动，漏极电流iD为零。,若uDS0V，则有电流iD从漏极流向源极，从而使沟道中各点电位与栅电位不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐升高，造成漏极一边耗尽层比靠近源极一边的宽。,靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄。只要栅-
4、漏间不出现夹断区域，沟道电阻仍将基本上决定于栅-源电压uGS.,夹断区变长，uDS的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS ，表现出iD的恒流特性。,场效应管工作在恒流区的条件是什么？,uGDUGS（off）,uGDUGS（off）,预夹断,uGDUGS（off）,漏极电流受到栅-源电压控制，故称场效应管为电压控制元件。,低频跨导,（3）栅-源电压对漏极电流的控制作用 uGDUGS（off）时,夹断与预夹断的区别：,夹断：,预夹断时：,预夹断前：,预夹断后：,3. 特性,（1）转移特性,当场效应管工作在恒流区时，由于输出特性曲线可近似为横轴的一组平
5、行线，所以可用一条转移特性曲线代替恒流区的所有曲线。输出特性曲线的恒流区中做横轴的垂线，读出垂线与各曲线交点的坐标值，建立uGS，iD坐标系，连接各点所得的曲线就是转移特性曲线。,UGS(off),场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且uGDUGS（off）。,夹断电压,漏极饱和电流,3. 特性,（1）转移特性,在恒流区,g-s电压 控制d-s的 等效电阻,（2）输出特性,预夹断轨迹，uGDUGS（off）,可变电阻区,恒 流 区,iD几乎仅决定于uGS,击 穿 区,夹断区（截止区）,不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。,低频跨导：,击穿特性：当uDS增大到一定程度时，
6、漏极电流会骤然增大，管子将被击穿。由于这种击穿是因栅-漏间耗尽层破坏而造成的，因而若栅-漏击穿电压为,则漏-源击穿电压:,由金属、氧化物和半导体制成，称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。,特点：输入电阻可达 1010 以上。,类型,N 沟道,P 沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,二、绝缘栅型场效应管,SiO2绝缘层,衬底（低掺杂）,1. 增强型MOS管,N沟道增强型 MOS 场效应管,通常衬底与源极接在一起使用。,工作原理分析：,uDS = 0， uGS
7、 0，由于SiO2的存在，栅极电流为零。栅极金属层聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层。 uGS增大，耗尽层增宽；衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成反型层，反型层将变厚变长，当反型层将D-S间相接时，形成导电沟道。,当栅源之间不加电压时，漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电，iD=0,开启电压UGS(th)：使沟道刚刚形成的栅源电压,SiO2绝缘层,衬底,反型层,大到一定值才开启,uDS 对导电沟道的影响 (uGS UGS(th),沟道沿源-漏方向逐渐变窄，导电沟道呈现一个楔形。uDS增大使
8、漏极电流iD线性增大。,a. uDS UGS(th),iD随uDS的增大而增大，可变电阻区,b. uDS= uGS UGS(th)， uGD = UGS(th),靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,uGDUGS（th），预夹断,刚出现夹断,uDS 对导电沟道的影响 (uGS UGS(th),c. uDS uGS UGS(th)， uGD UGS(th),uDS 逐渐增大时，夹断区延长，由于夹断区的沟道电阻很大，导电沟道两端电压基本不变，uDS增大的部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，iD几乎不随uDS增大而变化，只取决于uGS。,iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区,uDS的增大几
9、乎全部用来克服夹断区的电阻,uDS 对导电沟道的影响 (uGS UGS(th),用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？,2. 耗尽型 MOS管,加正离子,小到一定值才夹断,uGS=0时就存在导电沟道,制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使 uGS = 0 也会形成 N 型导电沟道。,uGS = 0，uDS 0，产生较大的漏极电流；,uGS 0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD 减小；,UGS(off) 称为夹断电压,uGS = - UGS(off) ，导电
10、沟道消失，iD 0。,N沟道耗尽型 MOS 场效应管,耗尽型MOS管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。,3. MOS管的特性,1)增强型MOS管,2)耗尽型MOS管,开启电压,夹断电压,各类场效应管的符号和特性曲线,三. 场效应管的分类 工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性,问题：uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？ 只有uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？ 只有uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？,5.1.3 场效应管的主要参数,一、直流参数,饱和漏极
11、电流 IDSS,2. 夹断电压 UGS(off),3. 开启电压 UGS(th),4. 直流输入电阻 RGS(DC),夹断电压是结型、耗尽型FET的参数，当uDS为常量时，iD为规定的微小电流(如5微安)时的uGS。,开启电压是增强型MOS管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。,结型场效应三极管，当uGS=0时产生预夹断所对应的漏极电流,等于栅源电压与栅极电流之比。输入电阻很高，结型场效应管一般在 107 以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 109 。,二、交流参数,1. 低频跨导 gm,2. 极间电容,用以描述栅源之间的电压 uGS 对漏极电流 iD 的控制作用。恒流区
12、：,单位：iD 毫安(mA)；uGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS) 转移特性曲线上某一点的切线的斜率，曲线越陡， gm越大。,这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 CGS、CGD、CDS。 极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,三、极限参数,1.最大漏极电流 IDM,3. 漏源击穿电压 U(BR)DS,4. 栅源击穿电压U(BR)GS,由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,当漏极电流 iD 急剧上升产生雪崩击穿时的 uDS 。,结型场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若uGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的
13、情况类似，属于破坏性击穿。,2. 漏极最大允许耗散功率 PDM,IDM是管子正常工作时漏极电流的上限值。,双极型和场效应型三极管的比较,讨论一：利用图示场效应管组成原理性共源放大电路。,5.2 场效应管基本放大电路,一、场效应管静态工作点的设置方法,二、场效应管放大电路的动态分析,三、场效应管放大电路的频率响应,(1) 静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。,(2) 动态：能为交流信号提供通路。,组成原则：,静态分析：估算法、图解法,动态分析：微变等效电路法、图解法,分析方法：,场效应管基本放大电路,共源电路,共栅电路,共漏电路,结型场效应管放大电路的三种
14、接法,一、场效应管静态工作点的设置方法,根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性合适的直流电源，就可确定合适的静态工作点。,1. 基本共源放大电路,为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：,N增强型MOS管 共源,思考：,1.N沟道共源结型场效应管的静态工作点怎样设置？ 2.N沟道共源耗尽型MOS的静态工作点怎样设置？,2. 自给偏压电路,由正电源获得负偏压 称为自给偏压,哪种场效应管放大电路能够采用这种电路形式设置Q点？ 耗尽型场效应管,结型场效应管共源放大电路静态分析：,3. 分压式偏置电路,即典型的Q点稳定电路,二、场效应管放大电路的动态分析,1. 场效应管的交流
15、等效模型,iD 的全微分为,上式中定义：, 场效应管的跨导(毫西门子 mS), 场效应管漏源之间等效电阻,如果输入正弦信号，则可用相量代替式中的变量。,场效应管的交流等效模型,近似分析时可认为其为无穷大！,根据iD的表达式或转移特性可求得gm。,与晶体管的h参数等效模型类比：,一般 gm 约为 0.1 至 20 mS。 rds 为几百千欧的数量级。当 Rd 比 rds 小得多时，可认为等效电路的 rds 开路。,根据场效应管的电流方程可以求出低频跨导。如结型,小信号时，可以用IDQ来近似iD，所以有,增强型MOS管：,结型场效应管：,2. 基本共源放大电路的动态分析,若Rd=3k， Rg=1M
16、， gm=2mS，则 与共射电路比较。 放大能力不如共射电路,例5.2.2 分压式偏置共源放大电路,电压放大倍数,输入电阻,输出电阻,3. 基本共漏放大电路的动态分析,若Rs=3k，gm=2mS，则,输入电压输出电压极性相同,基本共漏放大电路输出电阻的分析,若Rs=3k，gm=2mS，则Ro=?,求解场效应管放大电路的步骤(归纳),1. 首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点 Q ， 2. 求出静态工作点处的微变等效电路参数。 3. 画出放大电路的微变等效电路。 4. 列出电路方程并求解动态性能指标。,三种基本放大电路的性能比较,组态对应关系：,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,BJT,FET,电压增益：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,输出电阻：,输入电阻：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,三、场效应管单管放大电路的频率响应,
